来源：Proc Natl Acad Sci U S A | 编译：DNA Lab Space
代谢重编程是构建高效微生物细胞工厂的核心策略，但长期补料分批发酵带来的代谢压力往往削弱细胞活力，制约工业化放大。中国科学院大连化学物理研究所周雍进团队另辟蹊径——不直接改造产物合成途径，而是通过延长酵母时序寿命（chronological lifespan, CLS）来重塑细胞整体代谢网络。该策略将二萜类化合物紫苏醇（sclareol）产量提升至25.9 g/L，葡萄糖得率达0.051 g/g，创下微生物合成紫苏醇的最高纪录。这项发表于《美国国家科学院院刊》的研究，揭示了细胞衰老与生物合成能力之间此前未被充分挖掘的代谢关联。
研究背景
紫苏醇是一种具有浓郁龙涎香气息的二萜类化合物，在香水工业与医药领域应用广泛。其天然来源为鼠尾草属植物，但植物提取受限于资源稀缺与提取成本。微生物合成为紫苏醇的可持续供应提供了替代路径，但长期发酵过程中，高密度培养带来的代谢负荷常导致细胞活力下降、产物积累停滞。
传统代谢工程策略聚焦于强化目标产物合成途径的碳通量，却往往忽视细胞自身的"健康状态"。事实上，发酵后期细胞进入稳定期后，时序寿命的长短直接决定了产物积累的时间窗口。酵母时序寿命指细胞在非分裂状态下维持活力的时间，受营养感知通路（TORC1、PKA、Snf1）和线粒体自噬等多重调控。已有研究表明，下调这些营养感知通路可延长时序寿命，但这一策略能否转化为化学品合成能力的提升，此前缺乏系统验证。
周雍进团队的工作正是从这一交叉点切入：通过工程化改造酵母的寿命调控网络，考察细胞衰老进程对紫苏醇合成的影响，并尝试将寿命延长与代谢重构协同起来，构建兼具高产与鲁棒性的细胞工厂。
研究方法
研究以酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）为宿主，在已实现紫苏醇异源合成的菌株基础上，系统性地对时序寿命相关基因进行编辑。技术路线分为三个层次：营养感知通路改造、线粒体自噬强化、中心碳代谢升级。
营养感知通路改造。 研究者首先靶向TORC1与PKA两条营养感知通路。TORC1通路负责氨基酸感应，实验通过删除关键基因TOR1与SCH9考察其对紫苏醇合成的影响。PKA通路的改造更为精细，涉及多层级调控元件：胞外葡萄糖检测系统由G蛋白偶联受体（GPCR）系统（Gpr1和Gpa2）及Ras蛋白（Ras1和Ras2）组成，二者共同激活腺苷酸环化酶Cyr1；Cyr1催化ATP合成cAMP，cAMP与调节亚基Bcy1结合后激活PKA；活化的PKA通过Tpk复合物抑制蛋白激酶Rim15，从而降低细胞应激抗性。研究逐一敲除这些上游调控因子（GPR1、GPA2、RAS2）以及PKA催化亚基基因（TPK1、TPK2、TPK3），并尝试双敲除与三敲除组合。原文摘要未详述具体敲除菌株的构建方法（如CRISPR-Cas9或同源重组策略）及培养温度、摇瓶转速等参数。
线粒体自噬强化。 在营养感知通路改造的基础上，研究者进一步增强了线粒体自噬过程。原文摘要未详述具体操作方式——涉及的自噬相关基因（如ATG家族成员）及其过表达或激活策略未在摘要中列出具体参数。
中心碳代谢升级。 在获得协同增效的寿命延长菌株后，研究进一步强化了中心碳代谢途径，以期为紫苏醇合成提供更充足的前体与辅因子。原文摘要未详述具体靶向的代谢节点（如乙酰辅酶A供应、甲羟戊酸途径或异戊烯基焦磷酸合成相关基因）及过表达/调控方式。
发酵与产物检测。 研究采用补料分批发酵模式评估菌株生产性能。原文摘要未详述发酵罐规格、培养基组分、补料策略、pH控制范围、温度与溶氧设定等具体参数。紫苏醇产量通过色谱方法定量，得率以每克葡萄糖产生的产物克数计算（g/g glucose）。
组学分析。 为解析寿命延长与代谢重构之间的内在联系，研究者对工程菌株进行了多组学分析。原文摘要未详述转录组、蛋白质组或代谢组的具体检测平台与数据分析流程。
研究结果
营养感知通路改造的差异化效应。 实验结果显示，不同基因敲除对紫苏醇合成的影响截然不同。删除TOR1显著提升了紫苏醇产量，而SCH9缺失则因生长迟滞导致产量下降。在PKA通路上游调控因子中，GPR1、GPA2与RAS2的缺失均有利于紫苏醇合成；但删除BCY1（PKA调节亚基）反而降低了产量，提示增强PKA活性对产物合成不利。催化亚基的单敲除（TPK1、TPK2或TPK3）以及TPK1与TPK3的双敲除均未促进紫苏醇产量提升。研究者未能获得TPK1/2/3三敲除突变体，表明葡萄糖感知与摄取对酵母生长具有不可或缺的作用。工程化葡萄糖抑制通路同样未提高紫苏醇产量，REG1的缺失导致产量显著下降。
寿命延长与产物合成的协同效应。 将弱化营养感知通路与增强线粒体自噬相结合，紫苏醇产量较对照提升了70.3%，达到20.1 g/L，葡萄糖得率为0.046 g/g。这一结果直接验证了"时序寿命延长可提升生物合成能力"的核心假设。
中心碳代谢强化的叠加效果。 在协同菌株基础上进一步增强中心碳代谢，紫苏醇产量进一步提升至25.9 g/L，得率达0.051 g/g葡萄糖。原文摘要明确指出这是微生物中实现的最高紫苏醇产量。
组学揭示的代谢重塑机制。 多组学数据表明，上调寿命相关基因的表达延长时序寿命的同时，自动重塑了细胞代谢网络，整体提升了细胞鲁棒性，从而支持高效化学品合成。这一发现将寿命调控与代谢通量分配联系起来——寿命延长并非简单延长产物积累时间，而是通过系统性代谢重排为合成途径提供了更优的胞内环境。
策略的普适性验证。 该策略还被应用于其他类型产物的合成。原文摘要提及，该策略显著改善了倍半萜β-榄香烯（β-elemene）和酚酸类化合物的生物合成，但未提供这些产物的具体产量数据。
讨论与展望
这项研究的价值在于视角转换：将细胞视为一个需要"养生"的整体，而非仅仅是一条需要优化的合成路径。通过弱化TORC1和PKA通路、强化线粒体自噬，研究团队在延长酵母时序寿命的同时实现了紫苏醇产量的协同提升——70.3%的增幅并非来自某个合成酶的点突变，而是源于细胞整体代谢网络的重构。
选择紫苏醇作为模式产物颇具深意。二萜类化合物的合成分支路径长、前体需求大，对细胞能量与还原力储备要求高，恰好能放大寿命延长带来的代谢红利。而β-榄香烯和酚酸类化合物的成功验证，则暗示这一策略可能具有跨产物的普适性——凡是依赖长周期发酵、对细胞活力敏感的合成过程，都可能从寿命工程中获益。
当然，从实验室摇瓶到工业发酵罐，仍有距离。补料分批发酵中的实际参数（如pH、溶氧、补料速率）如何与寿命调控菌株匹配，长期传代中寿命相关基因的稳定性如何，都是工程化路上需要回答的问题。原文摘要未详述这些内容，但25.9 g/L的产量本身已经为工业放大提供了足够有说服力的起点。
细胞衰老与合成能力之间的代谢连接，过去更多被视为一种间接关联。这项研究用数据证明：活得久，确实可以产得多。
参考来源
Wu Z, Gao J, Gao N, Zhao Y, Zhou YJ. Engineering chronological lifespan toward a robust yeast cell factory. Proc Natl Acad Sci U S A. 2025. PMID: 41213019.
PMID: 41213019